4.2.2. Вольтамперные характеристики птиз

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что принцип действия ПТИЗ основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля, создаваемого потенциалом затвора, изолированного от кристалла слоем окисла.

Рассмотрим планарную структуру, представленную на рис. 4.5, а, у которой подложка П заземлена, а исток И, например, соединен с подложкой П.

Пусть первоначально затвор З соединен с истоком И, т.е. U_зи = 0. Поскольку имеется канал (длиной d), соединяющий исток со стоком, то по мере увеличения напряжения U_си на стоке (рис. 4.5, б) выходной ток I_с растет почти линейно от нуля до точки 1 (омическая зона ВАХ). В данном режиме работы наклон характеристики определяется малым сопротивлением еще не перекрытого канала.

По мере увеличения напряжения рост тока I_с практически прекращается (точка 2) – при напряжении U_си.нас достигается насыщение тока (геометрическое место точек U_си.нас представлено пунктиром). Наступает так называемая активная зона вольтамперной характеристики, которая характеризуется насыщением тока стока, незначительно возрастающим при увеличении напряжения U_си.

Причина дальнейшего ограничения тока I_с связана с перекрытием канала в области стока. В самом деле, как и в случае с транзистором с управляющим p-n-переходом (см. п. 4.1.2) точки канала не эквипотенциальны. Если, например, на стоке _с = 10 В, то в центре канала  = 5 В, в то время как потенциал истока равен нулю _и = 0 В, т.к. исток заземлен. Следовательно, по отношению к подложке, которая заземлена, все точки канала находятся под различным потенциалом! А раз так, то протяженный p-n-переход канал-подложка, находящийся под различным напряжением, имеет различную ширину l(U) в разных точках. Поскольку объем канала слаболегирован, то расширяющийся p-n-переход внедряется в канал, перекрывая его, главным образом, в области стока. Поэтому по мере дальнейшего увеличения напряжения сток-исток U_си (рис. 4.5, б, от точки 2 до точки 3) сопротивление канала увеличивается, и поэтому ток стока I_с растет незначительно. При значительных напряжениях на стоке ток вновь растет (область III- область пробоя), поскольку возрастает вероятность пробоя p-n-перехода в области стока, т.к. именно здесь к переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

Допустим, транзистор находится в режиме работы между точками 2 и 3 (рис. 4.5, б: U_зи = 0, U_си = 10 B, I_с = 1,2 мА). Подадим на затвор отрицательный потенциал _з <0 (U_зи  0). В данном случае электрическое поле затвора за счет явления электростатической индукции оказывает кулоновское отталкивающее действие на электроны, которые являются основными носителями заряда в n-канале. Это воздействие приводит к уменьшению концентрации электронов в n-канале (электроны уходят в подложку), и, соответственно, к уменьшению проводимости n-канала. Следовательно, сопротивление канала увеличивается, и при фиксированном значении U_си ток стока I_с уменьшается (рис. 4.5, б, в).

Вследствие этого серия стоковых характеристик при U_зи0 располагаются ниже кривой, соответствующей U_зи = 0. Режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации основных носителей (здесь, электронов) заряда в канале (здесь, n-типа), называют режимом обеднения канала.

При подаче на затвор З напряжения U_зи  0 электростатический заряд + затвора притягивает электроны из полупроводниковой подложки р-типа в канал. Концентрация основных носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями заряда. Проводимость n-канала возрастает, и при фиксированном напряжении U_си ток I_с увеличивается. Поэтому при U_зи  0 стоковые характеристики располагаются выше кривой, соответствующей U_зи = 0 (рис. 4.5, б).

Семейство (серия) стоковых характеристик полевого транзистора со встроенным каналом n-типа показано на рис. 4.5, б. Эти характеристики идентичны характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Различие заключается в том, что для МДП-транзистора входное напряжение U_зи может быть как положительной, так и отрицательной полярности.

Стоко-затворные характеристики транзистора со встроенным каналом приведены на рис. 4.5, в. Их отличие от стоко-затворных характеристик транзистора с p-n-переходом (рис. 4.3, б) обусловлено возможностью работы данного ПТИЗ как при U_зи 0 (режим обеднения), так и при U_зи 0 (режим обогащения).

Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 4.6, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление величиной тока стока I_с осуществляется входным напряжением U_зи полярности, совпадающей с полярностью U_си. Заметим, что управление транзистором возможно только после того, как сформирован канал соответствующего типа проводимости, в частности, при U_зи > 3 B.

Вид стоко-затворных характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведен на рис. 4.6, в. Особенности данных характеристик могут быть проанализированы самостоятельно.